ES2361193T3 - PROCEDURE FOR PRODUCING A MULTI-PAIR BARRIER STRUCTURE FOR A SOLID OXIDE FUEL CELL. - Google Patents
PROCEDURE FOR PRODUCING A MULTI-PAIR BARRIER STRUCTURE FOR A SOLID OXIDE FUEL CELL. Download PDFInfo
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Abstract
Description
Campo técnico Technical field
La presente invención se refiere a un procedimiento para producir una estructura de barrera multicapa en una célula de óxido sólido, tal como un apilamiento de células de combustible de óxido sólido (SOFC) o un apilamiento de células electrolíticas de óxido sólido (SOEC), y a una estructura multicapas que se puede obtener por dicho proceso, que es especialmente adecuado para usar en la parte de oxígeno de las células adyacentes que separa el componente de interconexión de dichos apilamientos. The present invention relates to a process for producing a multilayer barrier structure in a solid oxide cell, such as a solid oxide fuel cell stack (SOFC) or a solid oxide electrolytic cell stack (SOEC), and a multilayer structure that can be obtained by said process, which is especially suitable for use in the oxygen part of the adjacent cells that separates the interconnecting component of said stacks.
Las células de óxido sólido (SOC) en general incluyen células diseñadas para aplicaciones diferentes, tales como células de combustible de óxido sólido (SOFC), o células electrolíticas de óxido sólido (SOEC). Estos tipos de células son bien conocidas en la técnica. Normalmente, una célula de combustible de óxido sólido comprende una capa electrolítica intercalada entre dos capas de electrodos. Durante la operación, usualmente a una temperatura de aproximadamente 500°C a aproximadamente 1100°C, un electrodo se pone en contacto con oxígeno o aire y el otro electrodo está en contacto con un gas combustible. Solid oxide cells (SOC) in general include cells designed for different applications, such as solid oxide fuel cells (SOFC), or solid oxide electrolytic cells (SOEC). These types of cells are well known in the art. Normally, a solid oxide fuel cell comprises an electrolytic layer sandwiched between two electrode layers. During operation, usually at a temperature of about 500 ° C to about 1100 ° C, one electrode is brought into contact with oxygen or air and the other electrode is in contact with a combustible gas.
En las condiciones operativas típicas, una célula de combustible de óxido sólido individual produces menos de 1 voltio. Para obtener voltaje y potencia altos de las SOFC, en consecuencia es necesario apilar muchas células juntas. Debido a que los procedimientos de fabricación para los apilamientos planares de SOFC comprenden la fabricación de células individuales, las células obtenidas posteriormente se apilan entre sí con capas adicionales tales como interconexiones, colectores de corriente, capas de contacto y sellos para formar un apilamiento de células de combustible para la aplicación deseada. Under typical operating conditions, an individual solid oxide fuel cell produces less than 1 volt. To obtain high voltage and power of SOFCs, it is therefore necessary to stack many cells together. Because the manufacturing procedures for SOFC planar stacks comprise the manufacture of individual cells, the cells subsequently obtained are stacked together with additional layers such as interconnections, current collectors, contact layers and seals to form a cell stack. of fuel for the desired application.
Uno de los problemas que limitan la producción en masa de célula de combustible a un nivel industrial hasta la fecha es el alto costo de las células finales. En consecuencia, para las células de combustible y las células de electrólisis que operan en un intervalo de temperatura medio (aproximadamente 500°C a 900°C), se ha sugerido emplear componentes metálicos de interconexión relativamente económicos que separan las células individuales. One of the problems that limit mass production of fuel cells to an industrial level to date is the high cost of the final cells. Consequently, for fuel cells and electrolysis cells operating in a medium temperature range (approximately 500 ° C to 900 ° C), it has been suggested to employ relatively inexpensive interconnecting metal components that separate individual cells.
Los materiales adecuados para dichas capas de interconexión metálica necesitan ser resistentes a la oxidación contra los gases del ánodo y el cátodo a temperaturas de operación elevadas, y también deben exhibir un coeficiente de expansión térmica (TEC) que coincida con el TEC de los componentes cerámicos de la célula. En vista de estos requerimientos, se han investigado en particular aleaciones formadoras de óxido de cromo como materiales de soporte durante el proceso de fabricación, que formará la capa de interconexión última. Dichas aleaciones comprenden un alto contenido de cromo, es decir aproximadamente 15 a 22% en peso, que en condiciones oxidativas, migra hacia la superficie y forma una capa de barrera de óxido de cromo o depósito de óxido de cromo sobre la superficie que protege el componente contra la oxidación adicional. Al mismo tiempo, dicho depósito exhibe una conductividad eléctrica suficientemente alta a fin de no impedir el rendimiento global del dispositivo. Suitable materials for such metallic interconnection layers need to be resistant to oxidation against anode and cathode gases at elevated operating temperatures, and they must also exhibit a thermal expansion coefficient (TEC) that matches the TEC of the ceramic components of the cell. In view of these requirements, chromium oxide forming alloys have been investigated in particular as support materials during the manufacturing process, which will form the ultimate interconnection layer. Said alloys comprise a high chromium content, that is approximately 15 to 22% by weight, which under oxidative conditions migrates to the surface and forms a chromium oxide barrier layer or chromium oxide deposit on the surface that protects the component against additional oxidation. At the same time, said reservoir exhibits a sufficiently high electrical conductivity so as not to impede the overall performance of the device.
Sin embargo, durante la operación de la célula, los iones de cromo pueden difundir desde los materiales de interconexión que contienen cromo a las capas del electrodo al aire adyacente y afectar desventajosamente el desempeño del catalizador y de este modo afecta desventajosamente el desempeño de la célula con el tiempo. Este fenómeno se conoce generalmente como ’envenenamiento por cromo’. El envenenamiento por cromo se debe a que el cromo de la interconexión metálica se transporta desde el metal por medio de los óxidos y oxi-hidróxidos que contienen cromo gaseosos y por difusión en superficie sobre los componentes de óxido metálico formadores de puente a los sitios electroquímicamente activos cerca o en la parte de aire del electrodo, en la que deterioran rápidamente la actividad electroquímica en un grado considerable. However, during the operation of the cell, chromium ions can diffuse from the interconnecting materials containing chromium to the electrode layers to the adjacent air and disadvantageously affect the performance of the catalyst and thereby disadvantageously affect the performance of the cell. over time. This phenomenon is generally known as ’chromium poisoning’. Chromium poisoning is due to the chromium of the metallic interconnection being transported from the metal by means of oxides and oxyhydroxides containing gaseous chromium and by surface diffusion on the metal oxide components that form bridges to electrochemically sites active near or in the air part of the electrode, in which they rapidly deteriorate the electrochemical activity to a considerable extent.
A fin de obtener una resistencia eléctrica baja y reducir el envenenamiento por cromo de las aleaciones formadoras de depósito de óxido de cromo empleadas como el material de interconexión, se ha sugerido aplicar una espinela de manganeso y cromo en la parte superior de una capa de óxido de cromo. El documento US-A1-2003/0059335 por ejemplo propone una aleación basada en hierro que forma óxido de cromo, que comprende 12 a 28% en peso de cromo y pequeñas cantidades de La, Mn, Ti, Si, y Al. El material es capaz de formar en su superficie una fase de espínela de MnCr2O4 a las temperaturas de 700°C a 950°C. Se espera que la espinela de manganeso y cromo así formada tenga una presión de vaporización ligeramente menor para especies que contienen cromo que el cromo mismo. In order to obtain a low electrical resistance and reduce the chromium poisoning of the chromium oxide deposit forming alloys employed as the interconnecting material, it has been suggested to apply a chromium manganese spinel on the top of an oxide layer of chrome. US-A1-2003 / 0059335 for example proposes an iron-based alloy that forms chromium oxide, which comprises 12 to 28% by weight of chromium and small amounts of La, Mn, Ti, Si, and Al. The material It is capable of forming on its surface a spin phase of MnCr2O4 at temperatures of 700 ° C to 950 ° C. The manganese and chromium spinel thus formed is expected to have a slightly lower vaporization pressure for species containing chromium than the chromium itself.
Sin embargo, se halló que en forma desventajosa la difusión de Cr en efecto procede más rápido en la espinela de MnCr2O4 que en la capa de cromo. En consecuencia, la formación de un depósito doble Cr2O3-(Mn,Cr)3O4 no proporciona ningún aumento significativo en la protección del envenenamiento por cromo, en comparación con el depósito de óxido de cromo puro. However, it was found that disadvantageously the diffusion of Cr in effect proceeds faster in the spinel of MnCr2O4 than in the chromium layer. Consequently, the formation of a double Cr2O3- (Mn, Cr) 3O4 deposit does not provide any significant increase in the protection from chromium poisoning, as compared to the deposit of pure chromium oxide.
Se han descripto diferentes revestimientos que impiden el desarrollo de vapores que contienen cromo en la aleación de hierro-cromo empleada usada como la interconexión en las células en patentes y bibliografía de revistas científicas, por ejemplo en Tietz, F. et al. (2004) DE 103 06 649 A1, Tietz, & Zahid (2004) DE 103 06 647 A1, Hilliard Different coatings have been described that prevent the development of chromium-containing vapors in the iron-chromium alloy used as the interconnection in the cells in patents and bibliography of scientific journals, for example in Tietz, F. et al. (2004) DE 103 06 649 A1, Tietz, & Zahid (2004) DE 103 06 647 A1, Hilliard
D.B. (2003) US2003194592-A1, Orlovskaya N et al. (2004). J. Am. Cer, Soc 87, pp. 1981-7, Chen, X. et al. (2004) Solid State lonics 176, pp. 425-33. El concepto de revestimiento común abarca la formación de una espinela o capa de perovskita con su microestructura final en la parte superior de la interconexión metálica antes de la inserción en un apilamiento de SOFC, en el que dicho revestimiento actúa como una capa de barrera para la migración de cromo desde la interconexión metálica en el compartimiento de electrodo al aire. A fin de que estos revestimientos sean suficientemente herméticos, la adhesión entre revestimiento y sustrato debe ser perfecta en el inicio así como en plazos más largos, es decir, después del ciclado térmico, lo que pone severas limitaciones tanto en el procesamiento como en la coincidencia de coeficientes de expansión térmica de las capas y el acero. D.B. (2003) US2003194592-A1, Orlovskaya N et al. (2004). J. Am. Cer, Soc 87, pp. 1981-7, Chen, X. et al. (2004) Solid State lonics 176, pp. 425-33. The common coating concept encompasses the formation of a perovskite spinel or layer with its final microstructure at the top of the metal interconnection before insertion into a stack of SOFCs, in which said coating acts as a barrier layer for the chromium migration from the metallic interconnection in the electrode compartment to the air. In order for these coatings to be sufficiently airtight, the adhesion between coating and substrate must be perfect at the beginning as well as in longer terms, that is, after thermal cycling, which places severe limitations on both processing and coincidence. of coefficients of thermal expansion of the layers and steel.
En vista de estos problemas, los revestimientos reactivos ofrecen una mejor solución ya que ellos se transforman en una capa de barrera que crece a temperatura alta y normalmente exhiben un cambio más gradual en la microestructura entre el sustrato metálico y el revestimiento de óxido suprayacente. Los revestimientos reactivos como tales se han descripto en, por ejemplo, los informes sobre el análisis de espinelas y revestimientos de perovskita: Fujiata, K. el al. (2004) J. Power Sources 131, pp. 261-9; y Larring & Norby (2000), J. of the Electrochem. Soc. 147, pp. 3251-6. Los revestimientos desvelados son revestimientos de fase única o sustancia única, y se aplican a fin de formar un revestimiento protector de la corrosión conductivo eléctricamente sobre la superficie metálica. Dichos revestimientos contienen tan poco cromo como sea posible a fin de reducir el transporte de cromo desde la superficie metálica por el mayor tiempo posible, y reducir el transporte de oxígeno desde la atmósfera en el metal. In view of these problems, the reactive coatings offer a better solution since they are transformed into a barrier layer that grows at a high temperature and normally exhibit a more gradual change in the microstructure between the metal substrate and the overlying oxide coating. Reactive coatings as such have been described in, for example, reports on perovskite spinel and coat analysis: Fujiata, K. el al. (2004) J. Power Sources 131, pp. 261-9; and Larring & Norby (2000), J. of the Electrochem. Soc. 147, pp. 3251-6. The disclosed coatings are single phase or single substance coatings, and are applied in order to form an electrically conductive corrosion protective coating on the metal surface. Such coatings contain as little chromium as possible in order to reduce the transport of chromium from the metal surface for as long as possible, and reduce the transport of oxygen from the atmosphere in the metal.
Se desvelan revestimientos protectores que actúan como captadores de cromo, por ejemplo, en Jiang S.P et al. (2002) J. Eur. Cer. Soc. 22, pp. 361-73; y Matsuzaki & Yasuda (2001) J of the Electrochem. Soc. 148, pp. A126-31. Se describe cómo las fases que contienen cromo se precipitan en varios materiales de electrodos al aire y en diferentes materiales de electrolitos. El interés se centra particularmente en el cromo precipitado en los materiales del electrodo al aire que incluyen LSM y LSCF sin polarización catódica. Protective coatings that act as chromium collectors are disclosed, for example, in Jiang S.P et al. (2002) J. Eur. Cer. Soc. 22, pp. 361-73; and Matsuzaki & Yasuda (2001) J of the Electrochem. Soc. 148, pp. A126-31. It is described how the chromium-containing phases precipitate in various air electrode materials and in different electrolyte materials. The interest is particularly focused on the chromium precipitated in the air electrode materials that include LSM and LSCF without cathodic polarization.
También se desvela que el cromo se une fácilmente con los elementos, tales como Mn, de la estructura de perovskita del cátodo de LSM, y crea las fases de la espinela bien cristalina que se pueden recuperar en la superficie del límite entre el electrolito y el material de electrodo al aire si el electrodo al aire LSM se expone en una polarización electroquímica. Los electrodos al aire LSCF no son dependientes del potencial electroquímico del electrodo, pero no obstante las fases que contienen cromo generalmente precipitan en el volumen de poro del electrodo. It is also revealed that chromium readily bonds with the elements, such as Mn, of the perovskite structure of the LSM cathode, and creates the phases of the well crystalline spinel that can be recovered at the boundary surface between the electrolyte and the air electrode material if the LSM air electrode is exposed in an electrochemical polarization. LSCF air electrodes are not dependent on the electrochemical potential of the electrode, but nevertheless the chromium-containing phases generally precipitate the pore volume of the electrode.
El documento DE-C1-19627504 desvela una interconexión metálica conectada a una estructura multicapa, la estructura que comprende una primera capa de óxido metálico sobre dicha interconexión metálica, seguida por dos capas cerámicas sobre la parte superior de dicha primera capa de óxido metálico. Document DE-C1-19627504 discloses a metal interconnection connected to a multilayer structure, the structure comprising a first layer of metal oxide on said metal interconnection, followed by two ceramic layers on top of said first layer of metal oxide.
El documento WO-A-2006/059943 se refiere a un componente de célula de combustible que consiste en material de base metálica, en el que dicho material base se proporciona con un revestimiento que comprende al menos una capa metálica basada en un metal o aleación metálica, y al menos una capa reactiva que contiene al menos un elemento o compuesto que forma al menos un óxido mixto complejo con el metal o aleación metálica cuando se oxida. WO-A-2006/059943 refers to a fuel cell component consisting of metal base material, wherein said base material is provided with a coating comprising at least one metal layer based on a metal or alloy metallic, and at least one reactive layer containing at least one element or compound that forms at least one mixed oxide complex with the metal or metal alloy when oxidized.
El documento DE-A1-4422624 se refiere a un procedimiento para proteger una superficie que contiene cromo contra la pérdida de óxidos de cromo volátiles a temperaturas superiores por la aplicación de un revestimiento protector formado de un cromato de magnesio en la superficie de la capa metálica. DE-A1-4422624 refers to a method for protecting a chromium-containing surface against the loss of volatile chromium oxides at higher temperatures by applying a protective coating formed of a magnesium chromate on the surface of the metal layer. .
En síntesis, las capas de barrera sugeridas en la técnica previa hasta ahora actúan para suprimir la formación de vapores que contienen cromo durante la operación de la célula desde el comienzo, pero que también requiere un procesamiento adicional y frecuentemente costos de las interconexiones metálicas antes de su uso en un apilamiento de SOFC, en consecuencia impide la producción en masa de los apilamientos. Por otra parte, los revestimientos de superficie aplicados deben ser, química y termomecánicamente compatibles con los materiales de la interconexión metálica en un intervalo amplio de temperaturas, es decir, temperaturas operativas de la célula de aproximadamente 500-900°C, lo que limita gravemente el uso de materiales de otro modo adecuados. Finalmente, si bien la difusión de cromo o evaporación inicial se puede reducir en cierto grado, la mayor parte de las capas no pueden impedir la difusión de cromo durante la vida de la célula y en consecuencia no pueden impedir el envenenamiento por cromo de las capas de electrodo durante el tiempo. In synthesis, the barrier layers suggested in the prior art so far act to suppress the formation of chromium-containing vapors during the operation of the cell from the beginning, but which also requires additional processing and frequently costs of metal interconnections before its use in a stack of SOFCs, consequently prevents mass production of the stacks. On the other hand, the applied surface coatings must be chemically and thermomechanically compatible with the materials of the metallic interconnection over a wide range of temperatures, that is, operating temperatures of the cell of approximately 500-900 ° C, which severely limits the use of otherwise suitable materials. Finally, although chromium diffusion or initial evaporation can be reduced to some degree, most layers cannot prevent chromium diffusion during the life of the cell and consequently cannot prevent chromium poisoning of the layers of electrode over time.
En consecuencia aún se necesita un procedimiento rentable para eliminar la evaporación de cromo de la superficie de interconexión en las células de óxido sólido, que hace posible alojar especies de vapor de cromo y que minimiza la resistencia de contacto eléctrica entre la interconexión y la capa de electrodo al aire. Consequently, a cost-effective process is still needed to eliminate the evaporation of chromium from the interconnection surface in solid oxide cells, which makes it possible to accommodate chromium vapor species and that minimizes the resistance of electrical contact between the interconnection and the layer of air electrode
En vista de lo anterior, la presente invención proporciona en forma ventajosa revestimientos reactivos, aplicados mediante un procedimiento económico, tal como pulverización de una suspensión de partículas sobre la superficie de interconexión y/o la parte de aire de las células de óxido sólido antes de ensamblar el apilamiento de la célula, el revestimiento minimiza la evaporación de cromo de la superficie metálica una vez que se ha formado una capa densa, preferentemente en reacción libre de cromo, con un espesor de capa suficiente. En el mismo momento, un revestimiento suprayacente captura especies que contienen cromo que difunden desde la superficie metálica durante el período inicial antes de que alcancen las localizaciones activas de la capa de electrodo al aire. In view of the foregoing, the present invention advantageously provides reactive coatings, applied by an economical process, such as spraying a suspension of particles onto the interconnecting surface and / or the air portion of the solid oxide cells before Assembling the cell stack, the coating minimizes the evaporation of chromium from the metal surface once a dense layer has formed, preferably in a chromium-free reaction, with a sufficient layer thickness. At the same time, an overlying coating captures chromium-containing species that diffuse from the metal surface during the initial period before they reach the active locations of the electrode layer in the air.
Los revestimientos multifuncionales de la presente invención reducen el problema de envenenamiento por cromo a un nivel tecnológicamente insignificante, al mismo tiempo que evitan procedimientos de aplicación mucho más costosos para aplicar los revestimientos con un alcance similar sugerido en la técnica previa hasta la fecha, y proporcionan una estructura de barrera multicapa rentable que extiende el tiempo de vida de un SOC. The multifunctional coatings of the present invention reduce the problem of chromium poisoning to a technologically insignificant level, while avoiding much more expensive application procedures for applying the coatings with a similar range suggested in the prior art to date, and provide a profitable multilayer barrier structure that extends the life time of an SOC.
En vista de las desventajas de la técnica previa que se describió anteriormente, la presente invención proporciona un procedimiento para producir una estructura de barrera multicapa en una célula de óxido sólido, de acuerdo con la reivindicación 1. In view of the disadvantages of the prior art described above, the present invention provides a method for producing a multilayer barrier structure in a solid oxide cell, according to claim 1.
La presente invención también proporciona una estructura de barrera multicapa, que se puede obtener por el procedimiento anterior. The present invention also provides a multilayer barrier structure, which can be obtained by the above procedure.
La presente invención también proporciona una célula de óxido sólido que comprende una capa de contacto anódica y estructura de soporte, una capa anódica, una capa electrolítica, una capa catódica, una capa de contacto catódica, una interconexión metálica, y la anterior estructura de barrera multicapa. The present invention also provides a solid oxide cell comprising an anodic contact layer and support structure, an anodic layer, an electrolytic layer, a cathodic layer, a cathodic contact layer, a metallic interconnection, and the previous barrier structure. multilayer
Las realizaciones preferidas se definen en las reivindicaciones 2 a 10. Preferred embodiments are defined in claims 2 to 10.
En el procedimiento de la presente invención la secuencia de calentamiento y la composición de la fase gaseosa, preferentemente la presión parcial de oxígeno, durante la inicialización de dicha célula de óxido sólido preferentemente está controlada de modo de transformar la capa de barrera en un producto de reacción eléctricamente conductivo y denso. In the process of the present invention the heating sequence and the composition of the gas phase, preferably the partial pressure of oxygen, during the initialization of said solid oxide cell is preferably controlled so as to transform the barrier layer into a product of electrically conductive and dense reaction.
Además la afinidad entre el electrodo al aire y el cromo durante la secuencia de inicialización del apilamiento anterior puede reducirse por un procedimiento, que comprende la etapa de aplicar un potencial eléctrico constante o alternativo entre el electrodo al aire y la interconexión. Furthermore, the affinity between the electrode to the air and the chromium during the initialization sequence of the previous stack can be reduced by a method, which comprises the step of applying a constant or alternative electrical potential between the electrode to the air and the interconnection.
Las realizaciones preferidas se exponen en las sub-reivindicaciones. Preferred embodiments are set forth in the subclaims.
Breve descripción de las Figuras Brief Description of the Figures
La Figura 1 ilustra una realización preferida de la estructura multicapa de la presente invención. Figure 1 illustrates a preferred embodiment of the multilayer structure of the present invention.
Las Figuras 2a y 2b son micrografías que muestran una sección transversal de una estructura de barrera de acuerdo con la presente invención en función del espesor de la capa. Figures 2a and 2b are micrographs showing a cross section of a barrier structure according to the present invention as a function of the thickness of the layer.
La Figura 3 es una micrografía que muestra una sección transversal de una estructura de barrera de acuerdo con la presente invención. Figure 3 is a micrograph showing a cross section of a barrier structure according to the present invention.
La Figura 4 ilustra la diferencia de rendimiento eléctrico de la tasa de degradación de un elemento del apilamiento de los componentes similares con y sin el revestimiento protector sobre la cara del electrodo al aire de la interconexión. Figure 4 illustrates the difference in electrical performance of the degradation rate of a stacking element of similar components with and without the protective coating on the face of the air electrode of the interconnection.
Descripción detallada de la invención Detailed description of the invention
La presente invención proporciona un procedimiento para producir una estructura de barrera multicapa en una célula de óxido sólido, que comprende las etapas definidas en la reivindicación 1. The present invention provides a method for producing a multilayer barrier structure in a solid oxide cell, comprising the steps defined in claim 1.
Con el procedimiento de la presente invención, se aplica una estructura de barrera multicapa entre la interconexión metálica y la capa de electrodo al aire en un apilamiento de SOC. Cuando se inicia el apilamiento, se facilita la formación de una barrera crecida térmicamente, que a su vez minimiza la evaporación de cromo de la superficie de interconexión, contiene especies de vapor de cromo y en el mismo momento minimiza la resistencia de contacto eléctrica entre los dos componentes, la interconexión y el electrodo al aire. With the process of the present invention, a multilayer barrier structure is applied between the metallic interconnection and the air electrode layer in an SOC stack. When the stacking begins, the formation of a thermally grown barrier is facilitated, which in turn minimizes the evaporation of chromium from the interconnecting surface, contains chromium vapor species and at the same time minimizes the resistance of electrical contact between the Two components, interconnection and air electrode.
La interconexión metálica es una capa de acero inoxidable ferrítica. Los aceros ferríticos son comparativamente económicos y permiten una producción en gran escala rentable. De acuerdo con la invención, la interconexión metálica comprende una aleación de FeCrMx, en la que Mx se selecciona del grupo que consiste en Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, W, Co, La, Y, Al, Nb, o sus mezclas. Las concentraciones de Mx en la aleación están preferentemente en una cantidad tal que evita la formación de austenita. Preferentemente, la concentración de Mx está en el intervalo de 0 a 15% en peso, y más preferentemente de aproximadamente 0,1 a 10% en peso, sobre la base del peso total de la aleación. La concentración de Mn en la aleación es de 0,25% a 0,55% en peso. The metallic interconnection is a layer of ferritic stainless steel. Ferritic steels are comparatively economical and allow profitable large-scale production. According to the invention, the metallic interconnection comprises an alloy of FeCrMx, in which Mx is selected from the group consisting of Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, W, Co, La, Y, Al, Nb, or its mixtures The concentrations of Mx in the alloy are preferably in an amount such that it prevents the formation of austenite. Preferably, the concentration of Mx is in the range of 0 to 15% by weight, and more preferably about 0.1 to 10% by weight, based on the total weight of the alloy. The concentration of Mn in the alloy is 0.25% to 0.55% by weight.
Los aceros ferríticos, ejemplificados por productos comerciales tales como Crofer 22APU (de Krupp-Thyssen) desarrollan un depósito doble bien definido de óxido de cromo y una espinela de Cr-Mn o un depósito de óxido de cromo-espinela mixto con una separación de fases menos evidente, por ejemplo en caso de OYC44 (se puede obtener de Sandvik) y Hitachi ZMG232 (se puede obtener de Hitachi). Ferritic steels, exemplified by commercial products such as Crofer 22APU (from Krupp-Thyssen) develop a well-defined double deposit of chromium oxide and a Cr-Mn spinel or a mixed chromium-spinel oxide deposit with a phase separation less obvious, for example in the case of OYC44 (can be obtained from Sandvik) and Hitachi ZMG232 (can be obtained from Hitachi).
La primera capa de óxido metálico se puede aplicar por cualquier procedimiento adecuado conocido por los expertos. Se prefiere la pintura para pulverización de la capa o laminado con una película de colada en cinta. The first metal oxide layer can be applied by any suitable procedure known to the experts. Paint for layer spraying or laminating with a tape casting film is preferred.
La primera capa de óxido metálico en la estructura de barrera multicapa final reacciona al menos parcialmente con oxígeno y los elementos metálicos que difunden hacia afuera forman la interconexión durante la etapa de inicialización, de este modo se forma una transición continua entre la segunda capa y el depósito de cromo protector formado que crecen en la superficie metálica cuando se somete a condiciones oxidantes a temperatura alta. Como se ilustra en la Figura 1, la primera capa de óxido metálico 2 forma una capa densa de óxido mixto que tiene un contenido de cromo tan bajo como sea posible, tal como una capa de MnCo2O4, en la que el Mn de la interconexión metálica 1 reacciona con el óxido de cobalto aplicado. Dicha capa forma de este modo una capa de barrera eficiente que minimiza efectivamente el transporte de cromo a partir del metal a través del depósito. The first metal oxide layer in the final multilayer barrier structure reacts at least partially with oxygen and the metal elements that diffuse outward form the interconnection during the initialization step, thus forming a continuous transition between the second layer and the Protective chrome deposit formed that grow on the metal surface when subjected to high temperature oxidizing conditions. As illustrated in Figure 1, the first metal oxide layer 2 forms a dense layer of mixed oxide having as low a chromium content as possible, such as a layer of MnCo2O4, in which the Mn of the metal interconnection 1 reacts with the applied cobalt oxide. Said layer thus forms an efficient barrier layer that effectively minimizes the transport of chromium from the metal through the reservoir.
La Figura 1 es una ilustración esquemática de una realización preferida de la estructura multicapa que abarca la interconexión metálica 1, una primera capa de óxido metálico 2, una segunda capa de óxidos metálicos mixtos que tiene una estructura de perovskita 3, una tercera capa de óxidos metálicos mixtos que tienen estructuras de perovskita 4, y en forma adicional espaciadores para la admisión de aire en el electrodo al aire 6, que se deposita en el electrólito y, opcionalmente, el soporte de célula de óxido sólido 7. Figure 1 is a schematic illustration of a preferred embodiment of the multilayer structure comprising the metal interconnection 1, a first layer of metal oxide 2, a second layer of mixed metal oxides having a perovskite structure 3, a third layer of oxides mixed metals having perovskite structures 4, and additionally spacers for the admission of air into the air electrode 6, which is deposited in the electrolyte and, optionally, the solid oxide cell holder 7.
El espesor de dicha primera capa de óxido metálico preferentemente está en un intervalo de aproximadamente 1 a aproximadamente 20 µm, más preferentemente de aproximadamente 3 a aproximadamente 15 µm. The thickness of said first metal oxide layer is preferably in a range of from about 1 to about 20 µm, more preferably from about 3 to about 15 µm.
A fin de desarrollar una microestructura con una resistencia eléctrica mínima, es decir, en la que la primera capa densa escasa en cromo tiene buen contacto con la segunda capa, se debe minimizar la cantidad de material de la primera capa. A la inversa, a fin de desarrollar una capa con bajo contenido de cromo, deben estar disponibles cantidades suficientes de óxido metálico, tal como se sintetiza en la Tabla 1. Se halló que el contenido de cromo cae por un factor de dos, es decir de 0,7 a 0,3, cuando el espesor de la primera capa aumenta de 7 µm a 15 µm. Esto también se ilustra con las Figuras 2a y 2b, que muestran la microestructura del revestimiento resultante en función del espesor de capa del primer revestimiento, 7 µm de Co3O4 (Figura 2a) y 15 µm de Co3O4 (Figura 2b), después de 1000 hs a 900°C. El revestimiento de Co3O4 de espesor de 15 µm no ha reaccionado por completo con el acero. In order to develop a microstructure with a minimum electrical resistance, that is, in which the first dense layer lacking in chromium has good contact with the second layer, the amount of material of the first layer must be minimized. Conversely, in order to develop a low chromium layer, sufficient amounts of metal oxide should be available, as synthesized in Table 1. It was found that the chromium content falls by a factor of two, that is to say from 0.7 to 0.3, when the thickness of the first layer increases from 7 µm to 15 µm. This is also illustrated with Figures 2a and 2b, which show the microstructure of the resulting coating as a function of the layer thickness of the first coating, 7 µm of Co3O4 (Figure 2a) and 15 µm of Co3O4 (Figure 2b), after 1000 hours at 900 ° C. The 15 µm thick Co3O4 coating has not fully reacted with the steel.
Tabla 1 Table 1
- Espesor de la 1ra capa 1st layer thickness
- Espesor de la 2da capa 500 h 1000 h 2000 h 4000 h 2nd layer thickness 500 h 1000 h 2000 h 4000 h
- Co3O4, 7µm Co3O4, 7µm
- LSM, 15µm Cr0,7Mn1,4CO0,8Fe0,1O4 Cr0,7Mn1,6Co0,6Fe0,1O4 Cr0,9Mn1,5Co0,5Fe0,1O4 Cr1,3Mn1,2CO0,5O4 LSM, 15µm Cr0.7Mn1.4CO0.8Fe0.1O4 Cr0.7Mn1.6Co0.6Fe0.1O4 Cr0.9Mn1.5Co0.5Fe0.1O4 Cr1,3Mn1,2CO0,5O4
- Co3O4 15µm Co3O4 15µm
- LSM, 15µm Cr0,3Mn0,9Co1,7Fe0,1O4 Cr0,4Mn0,9Co1,6Fe0,1O4 Cr0,5Mn1,1Co1,4O4 Cr0,7Mn0,8Co1,5O4 LSM, 15µm Cr0.3Mn0.9Co1.7Fe0.1O4 Cr0.4Mn0.9Co1.6Fe0.1O4 Cr0.5Mn1.1Co1.4O4 Cr0.7Mn0.8Co1.5O4
Una compensación entre la función de barrera contra cromo y la microestructura deseada para reducir la resistencia eléctrica se logra preferentemente a través de la adición de más óxido metálico en la segunda capa de estructura multicapa a la vez que se mantiene el espesor de la capa de la primera capa en un mínimo. Compensation between the chrome barrier function and the desired microstructure to reduce the electrical resistance is preferably achieved through the addition of more metal oxide in the second layer of multilayer structure while maintaining the thickness of the layer of the First layer at a minimum.
La segunda capa de óxido metálico comprende una mezcla de un óxido metálico que tiene al menos dos cationes metálicos diferentes y un óxido de metal de transición. Los óxidos metálicos adecuados para la capa de óxido incluyen óxidos seleccionados del grupo que consiste en óxidos de metal alcalinotérreo, preferentemente óxido de magnesio, óxido de bario, óxido de estroncio, óxido de calcio, y óxidos de metal de transición, preferentemente óxido de cobalto, óxido de manganeso, óxido de cobre, óxido de lantano, y sus mezclas. The second metal oxide layer comprises a mixture of a metal oxide having at least two different metal cations and a transition metal oxide. Suitable metal oxides for the oxide layer include oxides selected from the group consisting of alkaline earth metal oxides, preferably magnesium oxide, barium oxide, strontium oxide, calcium oxide, and transition metal oxides, preferably cobalt oxide , manganese oxide, copper oxide, lanthanum oxide, and mixtures thereof.
Por otra parte, dicho óxido metálico de la segunda capa de óxido que tiene al menos dos cationes metálicos diferentes preferentemente tiene una estructura de perovskita y se selecciona del grupo que consiste en manganita de lantano dopada, cobaltita de lantano dopada, ferrita de lantano dopada, y sus mezclas. On the other hand, said metal oxide of the second oxide layer having at least two different metal cations preferably has a perovskite structure and is selected from the group consisting of doped lanthanum manganite, doped lanthanum cobaltite, doped lanthanum ferrite, and their mixtures.
El segundo revestimiento de óxido metálico se puede aplicar por cualquier procedimiento adecuado conocido por los expertos. Se prefiere la pintura para pulverización de la capa o laminación con una película de colada en cinta. The second metal oxide coating can be applied by any suitable procedure known to the experts. Paint for layer spraying or lamination with a tape casting film is preferred.
El espesor de la segunda capa de óxido metálico preferentemente está en un intervalo de aproximadamente 10 a aproximadamente 30 µm, más preferentemente de aproximadamente 15 a aproximadamente 25 µm. The thickness of the second metal oxide layer is preferably in a range of from about 10 to about 30 µm, more preferably from about 15 to about 25 µm.
La segunda capa de la estructura de barrera multicapa ayuda a la formación de la capa de barrera, y los materiales captadores de cromo que son capaces de capturar especies de vapor rico en cromo que se evaporan y migran del depósito metálico durante el primer período de inicialización antes de formar completamente la primera capa de barrera, y posteriormente si una pequeña cantidad de vapor de cromo migra continuamente del depósito. Como se señaló antes, una capa sola no es capaz de minimizar el envenenamiento por cromo a un nivel tecnológicamente aceptable. The second layer of the multilayer barrier structure aids in the formation of the barrier layer, and the chromium-picking materials that are capable of capturing species of chromium-rich vapor that evaporate and migrate from the metal deposit during the first initialization period before forming the first barrier layer completely, and later if a small amount of chromium vapor continuously migrates from the tank. As noted earlier, a single layer is not able to minimize chromium poisoning at a technologically acceptable level.
El procedimiento también comprende la etapa de formar una tercera capa de óxido metálico sobre la parte superior de dicha segunda capa de óxido metálico. En caso de aplicar una tercera capa de óxido metálico, el óxido metálico para dicha tercera capa se selecciona del grupo que consiste en niquelato de lantano dopado, manganita de lantano dopada, cobaltita de lantano dopada, ferrita de lantano dopada, cerio dopado, y sus mezclas. The process also comprises the step of forming a third layer of metal oxide on top of said second layer of metal oxide. If a third layer of metal oxide is applied, the metal oxide for said third layer is selected from the group consisting of doped lanthanum nickellate, doped lanthanum manganite, doped lanthanum cobaltite, doped lanthanum ferrite, doped cerium, and their mixtures
El tercer revestimiento de óxido metálico se puede aplicar por cualquier procedimiento conocido por los expertos. Sin embargo se prefiere pintura para pulverización o laminado con película de colada en cinta. The third metal oxide coating can be applied by any procedure known to the experts. However, spray paint or laminate with tape casting film is preferred.
El espesor de la tercera capa de óxido metálico es preferentemente en un intervalo de aproximadamente 10 a aproximadamente 35 µm, más preferentemente de aproximadamente 20 a aproximadamente 30 µm. The thickness of the third metal oxide layer is preferably in a range of about 10 to about 35 µm, more preferably about 20 to about 30 µm.
La tercera capa también puede actuar como una capa colectora de corriente directamente en contacto con el electrodo al aire. En este caso, se logra un máximo de conductividad en el plano para distribuir la conductividad tan uniformemente como sea posible conseguir para la tercera capa. The third layer can also act as a current collecting layer directly in contact with the air electrode. In this case, a maximum conductivity is achieved in the plane to distribute the conductivity as evenly as possible to achieve for the third layer.
Después de aplicar las respectivas capas de óxido metálico sobre la interconexión metálica, se completa la fabricación del apilamiento. Más específicamente, las capas de contacto se aplican en ambos lados de la célula de óxido sólido y las células y las interconexiones se ensamblan en una secuencia alternada con componentes de sellado interpuestos. After applying the respective layers of metal oxide on the metal interconnection, the manufacturing of the stack is completed. More specifically, the contact layers are applied on both sides of the solid oxide cell and the cells and interconnections are assembled in an alternating sequence with interposed sealing components.
La Figura 3 ilustra un ejemplo de una estructura de barrera multicapas final. En forma adicional, se muestra el resultado de un llamado barrido de línea, en el que la respuesta EDS de un intervalo seleccionado de elementos químicos se registra a lo largo de un camino predefinido del rayo electrónico ingresante, lo que ha sido indicado por la línea blanca continua en la micrografía. La fase metálica, gris claro a la izquierda, está cubierta por una capa de óxido de cromo de 4-6 µm de espesor, gris más oscuro, y una capa de 6-10 µm de espesor de una capa de espinela de Mn-Co formada con solo una concentración de óxido de cromo baja, cf. el perfil de Cr del barrido de línea. Las capas se han formado en aire a 950°C después de aplicar una primera capa de óxido de cobalto de 10 µm de espesor, y hacer reaccionar óxido de cobalto con manganeso que difunde hacia fuera del acero que forma la interconexión. La microestructura formada es densa y se adhiere bien al depósito protector formado entre la superficie de acero y la capa de espinela de Mn-Co. El segundo revestimiento poroso de 24 µm de espesor está compuesto de LSM. Figure 3 illustrates an example of a final multilayer barrier structure. Additionally, the result of a so-called line scan is shown, in which the EDS response of a selected range of chemical elements is recorded along a predefined path of the incoming electronic beam, which has been indicated by the line White continues on the micrograph. The metallic phase, light gray on the left, is covered by a layer of 4-6 µm thick chromium oxide, darker gray, and a 6-10 µm thick layer of a Mn-Co spinel layer formed with only a low chromium oxide concentration, cf. Cr profile of the line scan. The layers have formed in air at 950 ° C after applying a first layer of 10 µm thick cobalt oxide, and reacting cobalt oxide with manganese that diffuses out of the steel that forms the interconnection. The microstructure formed is dense and adheres well to the protective deposit formed between the steel surface and the Mn-Co spinel layer. The second 24 µm thick porous coating is composed of LSM.
La etapa de inicialización del apilamiento obtenido se lleva a cabo a una temperatura elevada, preferentemente a una temperatura de al menos aproximadamente 500°C, más preferentemente entre aproximadamente 700°C y aproximadamente 1100°C. Además, la etapa de inicialización se lleva a cabo en condiciones controladas para la atmósfera o carga de corriente dentro de los intervalos reales que dependen de la temperatura y el material de revestimiento. Por ejemplo, si la temperatura de inicialización es aproximadamente 950°C y la primera capa de revestimiento es preferentemente de óxido de cobalto principalmente, el aire de la atmósfera se puede usar directamente en combinación con una carga de corriente de 0,02-0,1 A/cm2 de área de célula de combustible, invertida con respecto a la dirección en una célula de combustible. Si la temperatura de inicialización es aproximadamente 850°C y la primera capa de revestimiento es preferentemente de óxido de cobalto principalmente, la presión parcial de oxígeno se mantiene por debajo de aproximadamente 0,06 bar y se combina con dicha carga de corriente. The initialization stage of the stacking obtained is carried out at an elevated temperature, preferably at a temperature of at least about 500 ° C, more preferably between about 700 ° C and about 1100 ° C. In addition, the initialization step is carried out under controlled conditions for the atmosphere or current load within the actual ranges that depend on the temperature and the coating material. For example, if the initialization temperature is approximately 950 ° C and the first coating layer is preferably mainly cobalt oxide, the air in the atmosphere can be used directly in combination with a current load of 0.02-0, 1 A / cm2 of fuel cell area, inverted with respect to the direction in a fuel cell. If the initialization temperature is approximately 850 ° C and the first coating layer is preferably cobalt oxide mainly, the partial pressure of oxygen is maintained below about 0.06 bar and combined with said current load.
Durante la inicialización, ocurre una reacción entre la interconexión metálica y la primera capa de óxido metálico aplicada. Preferentemente, el producto de reacción de la reacción entre el óxido metálico de dicha primera capa de óxido metálico y el metal de la interconexión metálica es eléctricamente conductivo y denso, más preferentemente tiene una estructura de espinela. During initialization, a reaction occurs between the metallic interconnection and the first layer of metal oxide applied. Preferably, the reaction product of the reaction between the metal oxide of said first metal oxide layer and the metal of the metal interconnection is electrically conductive and dense, more preferably it has a spinel structure.
Durante la operación de un apilamiento de células, se formará una capa rica en cromo directamente sobre la superficie metálica debido a la reacción del metal con oxígeno. Sin embargo, en la estructura de barrera multicapa de la presente invención, el producto de reacción del óxido metálico del primer óxido metálico con los componentes metálicos de la interconexión forma una capa libre de cromo o con escaso cromo, preferentemente una capa de espinela libre de cromo, sobre la parte superior de esta. La capa formada por la reacción del óxido metálico del primer óxido metálico con la interconexión forma de este modo una capa de barrera que suprime efectivamente el transporte de cromo del metal a través de la capa. During the operation of a cell stack, a chromium-rich layer will form directly on the metal surface due to the reaction of the metal with oxygen. However, in the multilayer barrier structure of the present invention, the reaction product of the metal oxide of the first metal oxide with the metallic components of the interconnection forms a chrome-free or low-chromium-free layer, preferably a spinel-free layer of chrome, on top of this. The layer formed by the reaction of the metal oxide of the first metal oxide with the interconnection thus forms a barrier layer that effectively suppresses the transport of chromium from the metal through the layer.
La segunda capa de óxido metálico actúa como un material de barrera para la evaporación y migración de las especies que contienen cromo durante la inicialización de la célula antes completar la formación de la capa formada por la reacción del óxido metálico del primer óxido metálico con la interconexión. En consecuencia, el electrodo se protege efectivamente contra el envenenamiento con cromo incluso durante la inicialización de la célula. Además, en el caso de que las especies que contienen cromo difundan a través de la primera capa durante la operación de la célula en cualquier punto de la vida de esta, la segunda capa de óxido metálico actúa como un captador de cromo adicional y de este modo protege efectivamente a la capa de electrodo del envenenamiento por cromo. The second metal oxide layer acts as a barrier material for the evaporation and migration of chromium-containing species during cell initialization before completing the formation of the layer formed by the reaction of the metal oxide of the first metal oxide with the interconnection . Consequently, the electrode is effectively protected against chromium poisoning even during cell initialization. In addition, in the event that the chromium-containing species diffuse through the first layer during the operation of the cell at any point in the life of the cell, the second metal oxide layer acts as an additional chromium collector and of this mode effectively protects the electrode layer from chromium poisoning.
En una realización preferida, se aplica una tercera capa de óxido metálico sobre la parte superior de la segunda capa de óxido metálico. La tercera capa de óxido metálico maximiza los contactos en el plano eléctrico de la capa de barrera y el contacto con la capa del electrodo así como maximiza la difusión en superficie de cromo desde la segunda capa de óxido metálico al electrodo al aire activo. Como resultado, la aumenta la conductividad en el plano, se puede suprimir el envenenamiento por cromo, y aumenta la duración de la célula. In a preferred embodiment, a third layer of metal oxide is applied on top of the second layer of metal oxide. The third metal oxide layer maximizes the contacts in the electrical plane of the barrier layer and the contact with the electrode layer as well as maximizes the chromium surface diffusion from the second metal oxide layer to the electrode to the active air. As a result, the conductivity in the plane increases, chromium poisoning can be suppressed, and the cell duration increases.
La presente invención además proporciona una estructura de barrera multicapa, que se puede obtener por el procedimiento descripto antes. La estructura de barrera multicapa es adecuada para usar en la producción de una estructura de barrera multicapa en un apilamiento de células de combustible de óxido de sólido (SOFC) o una célula electrolítica de óxido sólido (SOEC). The present invention also provides a multilayer barrier structure, which can be obtained by the procedure described above. The multilayer barrier structure is suitable for use in the production of a multilayer barrier structure in a stack of solid oxide fuel cells (SOFC) or a solid oxide electrolytic cell (SOEC).
En forma ventajosa, con la capa de barrera de la presente invención, se suprime efectivamente el envenenamiento por cromo de las capas del electrodo, lo que aumenta la duración de la célula. Al mismo tiempo, la capa de barrera de la presente invención logra resistencia interfacial baja de modo de no interferir en la eficiencia global de la célula. Advantageously, with the barrier layer of the present invention, chromium poisoning of the electrode layers is effectively suppressed, which increases the life of the cell. At the same time, the barrier layer of the present invention achieves low interfacial resistance so as not to interfere with the overall efficiency of the cell.
El procedimiento de la presente invención es un procedimiento simple para obtener dicha capa de barrera, y en consecuencia más rentable que los procedimientos propuestos en la técnica previa, que emplean etapas de producción complicadas y costosas, tales como pulverización del plasma y similares. The process of the present invention is a simple process for obtaining said barrier layer, and consequently more cost effective than the procedures proposed in the prior art, which employ complicated and expensive production steps, such as plasma spraying and the like.
Más aún, la capa de barrera se forma efectivamente durante la inicialización del apilamiento, y de este modo no es necesario el pretratamiento separado de la interconexión antes de la incorporación en un apilamiento de la célula, de este modo se simplifica la fabricación de la célula. Moreover, the barrier layer is effectively formed during the initialization of the stack, and thus no separate pretreatment of the interconnection is necessary before incorporation into a cell stack, thus simplifying the manufacturing of the cell. .
Finalmente, como se pueden emplear materiales baratos, los componentes para la capa de barrera no aumentan significativamente los costos totales de las células, en cambio permiten que la producción en masa de las células tenga una capa de barrera contra el envenenamiento por cromo. Finally, as cheap materials can be used, the components for the barrier layer do not significantly increase the total costs of the cells, instead they allow the mass production of the cells to have a barrier layer against chromium poisoning.
A continuación se ilustrará la invención con referencia al ejemplo detallado. The invention will now be illustrated with reference to the detailed example.
Ejemplo Example
Los materiales de la interconexión de un acero ferrítico al cromo se cortaron para moldearse antes de tratarlos con los revestimientos de superficie. Los óxidos de superficie del metal de la interconexión inherente de la producción de acero se eliminaron antes del revestimiento por el lijado uniforme de los especímenes con papel Sic grano 1000 seguido por el pulverizado de las superficies con aire presurizado y el lavado primero en acetona y posteriormente en etanol, ambos por medio del uso de un baño ultrasónico. The interconnection materials of a chromium ferritic steel were cut to mold before treating them with surface coatings. The metal surface oxides of the interconnection inherent in the steel production were removed before coating by uniform sanding of the specimens with 1000 grain Sic paper followed by spraying the surfaces with pressurized air and washing first in acetone and subsequently in ethanol, both through the use of an ultrasonic bath.
Los revestimientos se aplicaron a temperatura ambiente por pulverización de mezclas en suspensión de aproximadamente 6-14 vol% de polvos granulares dispersos en un vehículo orgánico que abarca disolvente, dispersante y aglutinante, los que posteriormente se secaron a aproximadamente 50-60°C en una corriente de aire. The coatings were applied at room temperature by spraying suspended mixtures of approximately 6-14 vol% of granular powders dispersed in an organic vehicle comprising solvent, dispersant and binder, which were subsequently dried at approximately 50-60 ° C in a air stream.
Los polvos de perovskitas, lantano-estroncio-manganita (La0,85Sr0,15MnO3), en adelante denominado como LSM, lantano-estroncio-cobaltita (La0,84Sr0,16CoO3), en adelante denominado como LSC y (La0,3Sr0,7CoO3), en adelante denominado como LSC’, estroncio- cobaltita (SrCoO2,5), en adelante denominado como SC, Lantano- ferro-niquelato (LaNi0,59Fe0,41O3-d) en adelante denominado como LNF y lantano-estroncio-ferri-cobaltita (La0,6Sr0,4Fe0,8Co0,2O3), en adelante denominado como SLFC, se produjeron por la vía de Glicina-nitrato a partir de soluciones de nitrato [L. A. Chick, L. R. Pederson, G. D. Maupin, J. L. Bates, L. E. Thomas y G. J. Exarhos, Materials Letters , 10, (1990), p. 612], se calcinaron y molieron para una distribución de tamaño del grano deseado (0,8 µm < d50 < 5 µm) con molino de bolas. Perovskite powder, lanthanum-strontium-manganite (La0,85Sr0,15MnO3), hereinafter referred to as LSM, lanthanum-strontium-cobaltite (La0,84Sr0,16CoO3), hereinafter referred to as LSC and (La0,3Sr0,7CoO3) , hereinafter referred to as LSC ', strontium cobaltite (SrCoO2.5), hereinafter referred to as SC, Lanthanferro-nickellate (LaNi0.59Fe0.41O3-d) hereinafter referred to as LNF and lanthanum-strontium-ferri-cobaltite (La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3), hereinafter referred to as SLFC, were produced by the glycine-nitrate route from nitrate solutions [L. A. Chick, L. R. Pederson, G. D. Maupin, J. L. Bates, L. E. Thomas and G. J. Exarhos, Materials Letters, 10, (1990), p. 612], were calcined and ground for a desired grain size distribution (0.8 µm <d50 <5 µm) with ball mill.
Los polvos de óxidos individuales 0(Co3O4, Mn3O4, CuO) se obtuvieron como materiales de grado analítico provenientes de fuentes comerciales y molieron en la distribución de tamaño del grano deseado (0,6 µm < d50 < 2,5 µm) con molino de bolas. Las distribuciones del tamaño de grano se midieron con un analizador de tamaño de partículas Beckman coulter I/S. Individual oxide oxides 0 (Co3O4, Mn3O4, CuO) were obtained as analytical grade materials from commercial sources and ground in the desired grain size distribution (0.6 µm <d50 <2.5 µm) with mill balls. Grain size distributions were measured with a Beckman coulter I / S particle size analyzer.
Las interconexión metálicas revestidas se apilaron en forma alternada con las células de combustible, y se suministraron componentes de sellado basados en vidrio entre cada capa en un apilamiento de SOFC, basado en un diseño de célula plana. The coated metal interconnects were stacked alternately with the fuel cells, and glass-based sealing components were supplied between each layer in a SOFC stack, based on a flat cell design.
Durante la inicialización, se suministró aire a los compartimientos del ánodo y cátodo a velocidades de flujo de 5-6 ml/min cm2 de área de superficie hasta la terminación de la secuencia de combustión del aglutinante a 500-650°C, después de lo cual la composición de la atmósfera difirió entre los dos compartimientos, ejemplificado por la reducción del ánodo combinado y la secuencia de reacción del revestimiento del cátodo, por ejemplo a 950°C durante 2,5 horas, en la que se incorporó hidrógeno seco al compartimiento anódico y se incorporó aire al compartimiento catódico, a la vez que se pasaba una carga de corriente de 0,02-0,1 A/cm2 de área de la célula de combustible a través del apilamiento, invertida con respecto a la dirección de una célula de combustible operativa. During initialization, air was supplied to the anode and cathode compartments at flow rates of 5-6 ml / min cm2 of surface area until termination of the binder combustion sequence at 500-650 ° C, after which the composition of the atmosphere differed between the two compartments, exemplified by the reduction of the combined anode and the reaction sequence of the cathode lining, for example at 950 ° C for 2.5 hours, in which dry hydrogen was incorporated into the compartment anodic and air was incorporated into the cathode compartment, while a current load of 0.02-0.1 A / cm2 of area of the fuel cell was passed through the stack, inverted with respect to the direction of a operational fuel cell
Después de la inicialización, los apilamientos se calentaron hasta las temperaturas operativas entre aproximadamente 650°C y aproximadamente 850°C, en las que se midió la degradación en condiciones constantes para la carga de corriente específica y temperaturas para períodos entre 200 horas y 1500 horas. After initialization, the stacks were heated to operating temperatures between approximately 650 ° C and approximately 850 ° C, in which the degradation was measured under constant conditions for the specific current load and temperatures for periods between 200 hours and 1500 hours .
El envenenamiento por cromo del electrodo al aire, cuando está activo, causó reducción significativa de la máxima densidad de potencia dentro de algunos centenares de horas de la inicialización, lo que se observó cuando se usaron interconexiones metálicas no revestidas como referencia. Se evaluó la degradación por espectroscopia de impedancia y cambio del voltaje normalizado o resistencia específica del área con el tiempo. Se realizó la comparación en las partes metálicas no revestidas, la degradación del apilamiento por ejemplo, a 750°C alcanzó el intervalo de 10-30% por 1000 horas, y en las partes metálicas revestidas con un revestimiento denso de óxido hermético al gas preparado con pulverización de plasma de los polvos de óxido metálico sobre el acero, en el que la degradación del apilamiento se registró de modo similar en el intervalo de 0,2-0,5% por 1000 horas, que también está cerca del límite de detección establecido a través de células individuales de prueba de modo similar pero en un ambiente libre de cromo. Para las partes metálicas multicapas de acuerdo con la presente invención, la degradación del apilamiento se midió de modo similar en el intervalo de 0,2-3% por 1000 horas, cf. figura 4. Chromium poisoning of the air electrode, when active, caused a significant reduction in the maximum power density within a few hundred hours of initialization, which was observed when uncoated metal interconnections were used as a reference. The degradation was evaluated by impedance spectroscopy and change of the normalized voltage or specific resistance of the area over time. The comparison was made in the uncoated metal parts, the degradation of the stack for example, at 750 ° C reached the range of 10-30% per 1000 hours, and in the metal parts coated with a dense coating of prepared gas-tight oxide with plasma spray of the metal oxide powders on the steel, in which the degradation of the stack was similarly recorded in the range of 0.2-0.5% per 1000 hours, which is also close to the detection limit established through individual test cells similarly but in a chromium-free environment. For multilayer metal parts according to the present invention, the degradation of the stack was similarly measured in the range of 0.2-3% per 1000 hours, cf. figure 4.
Figura 4: Validación experimental del revestimiento de la interconexión del ejemplo de referencia 1 mediante la prueba del apilamiento a 750°C durante 1000 horas Figure 4: Experimental validation of the interconnection coating of reference example 1 by stacking test at 750 ° C for 1000 hours
Ejemplo de referencia 1 Reference Example 1
Se limpió Crofer 22APU y revistió en suspensión con una capa de óxido de cobalto de 7 µm de espesor (d50 = 2,5 µm), se secó y posteriormente se revistió en suspensión con una capa de 20 µm de espesor de 90% en peso de LSM y 10% en peso de óxido de cobalto. Con la parte revestida orientada al cátodo de una célula de combustible de óxido sólido (SOFC) e incorporada en un apilamiento de SOFC, la parte metálica se calentó en flujo de aire (5,4 ml/min/cm2 área de superficie) a 3°C por minuto a 650°C y se mantuvo a la temperatura durante 2 horas para quemar cualquier aglutinante orgánico residual antes de calentar en las mismas condiciones a 950°C, en las que se mantuvo durante 3 horas a fin de formar la capa de barrera de espinela en la superficie metálica del compartimiento catódico. El apilamiento de SOFC después se enfrió a la temperatura operativa (750°C) y se conectó a una carga eléctrica, en la que se evaluó la tasa de degradación, 0,2% por 1000 horas, a una carga de corriente de 0,25 A/cm2 de área de la célula. Crofer 22APU was cleaned and coated in suspension with a 7 µm thick cobalt oxide layer (d50 = 2.5 µm), dried and subsequently coated in suspension with a 20 µm thick layer of 90% by weight of LSM and 10% by weight cobalt oxide. With the coated cathode-oriented part of a solid oxide fuel cell (SOFC) and incorporated into a stack of SOFC, the metal part was heated in air flow (5.4 ml / min / cm2 surface area) to 3 ° C per minute at 650 ° C and kept at the temperature for 2 hours to burn any residual organic binder before heating under the same conditions at 950 ° C, where it was kept for 3 hours in order to form the layer of spinel barrier on the metal surface of the cathode compartment. The SOFC stack was then cooled to the operating temperature (750 ° C) and connected to an electric charge, in which the degradation rate, 0.2% per 1000 hours, was evaluated at a current load of 0, 25 A / cm2 of cell area.
Se limpió Sandvik OYC44 y se revistió en suspensión con una capa de óxido de cobalto de 7 µm de espesor y óxido de cobre (2:1 peso/peso), se secó y posteriormente se revistió en suspensión con una capa de 20 µm de espesor de 60% en peso de LSM 30% en peso LSFC y 10% en peso de óxido de cobalto. Con la parte revestida orientada al cátodo de una célula de combustible de óxido sólido e incorporada en un apilamiento de SOFC la parte metálica se calentó en flujo de aire (5,4 ml/min/cm2 área de superficie) a 3°C por minuto a 550°C y se mantuvo a la temperatura durante 2 horas para quemar cualquier aglutinante orgánico residual antes de calentar en una mezcla de flujo de aire y nitrógeno (1:50 vol:vol) a 3°C por minuto a 950°C, en la que se mantuvo durante 4,5 horas a fin de formar la capa de barrera de espinela en la superficie metálica del compartimiento catódico. El apilamiento de SOFC después se enfrió a la temperatura operativa (750°C) y se conectó a una carga eléctrica, mientras que se incorporaba aire en el compartimiento catódico. Sandvik OYC44 was cleaned and coated in suspension with a 7 µm thick cobalt oxide layer and copper oxide (2: 1 weight / weight), dried and subsequently coated in suspension with a 20 µm thick layer 60% by weight LSM 30% by weight LSFC and 10% by weight cobalt oxide. With the coated cathode oriented part of a solid oxide fuel cell and incorporated into a stack of SOFC the metal part was heated in air flow (5.4 ml / min / cm2 surface area) at 3 ° C per minute at 550 ° C and kept at the temperature for 2 hours to burn any residual organic binder before heating in a mixture of air flow and nitrogen (1:50 vol: vol) at 3 ° C per minute at 950 ° C, in which it was held for 4.5 hours in order to form the spinel barrier layer on the metal surface of the cathode compartment. The SOFC stack was then cooled to the operating temperature (750 ° C) and connected to an electric charge, while air was incorporated into the cathode compartment.
Ejemplo de referencia 3 Reference Example 3
ZMG232 se limpió y revistió en suspensión con una capa de 5 µm de espesor de óxido de cobre y óxido de manganeso (4:1 mol/mol), se secó y posteriormente se revistió en suspensión con una capa de 25 µm de espesor de 50% en peso de LSM, 30% en peso de LSC y 20% en peso de óxido de cobalto. Con la parte revestida orientada al cátodo de una célula de combustible de óxido sólido e incorporada en un apilamiento de SOFC, la parte metálica se calentó en flujo de aire a 3°C por minuto a 550°C y se mantuvo a la temperatura durante 2 horas para quemar cualquier aglutinante orgánico residual antes de calentar en una mezcla de flujo de aire y nitrógeno (1: 9 vol:vol) a 5°C por minuto a 950°C, en la que se mantuvo durante 4 horas a fin de formar la capa de barrera de espinela en la superficie metálica del compartimiento catódico. El apilamiento de SOFC después se enfrió a la temperatura operativa (850°C) y se conectó a una carga eléctrica. ZMG232 was cleaned and coated in suspension with a 5 µm thick layer of copper oxide and manganese oxide (4: 1 mol / mol), dried and subsequently coated in suspension with a 25 µm thick layer of 50 % by weight of LSM, 30% by weight of LSC and 20% by weight of cobalt oxide. With the coated cathode-oriented part of a solid oxide fuel cell and incorporated into a stack of SOFCs, the metal part was heated in air flow at 3 ° C per minute at 550 ° C and kept at the temperature for 2 hours to burn any residual organic binder before heating in a mixture of air flow and nitrogen (1: 9 vol: vol) at 5 ° C per minute at 950 ° C, in which it was kept for 4 hours in order to form the spinel barrier layer on the metal surface of the cathode compartment. The SOFC stack was then cooled to the operating temperature (850 ° C) and connected to an electric charge.
Ejemplo de referencia 4 Reference Example 4
Se limpió Crofer 22APU y se revistió en suspensión con una capa de óxido de cobalto de 7 µm de espesor (d50 = 0,6 µm), se secó y posteriormente se revistió en suspensión con una capa de 20 µm de espesor de 90% en peso de LSM y 10% en peso óxido de cobalto. Con la parte revestida orientada al cátodo de una célula de combustible de óxido sólido e incorporada en un apilamiento de SOFC la parte metálica se calentó en flujo de aire a 3°C por minuto a 550°C y se mantuvo a la temperatura durante 2 horas para quemar aglutinante orgánico residual antes de calentar la mezcla de flujo de aire y nitrógeno (1:30 vol:vol) a 3°C por minuto a 750°C, en la que se mantuvo durante 15 horas a fin de formar la capa de barrera de espinela en la superficie metálica del compartimiento catódico. Durante esta última secuencia se pasó una corriente (0,05 A/cm2) a través del apilamiento de SOFC desde los terminales anódicos a los catódicos. El apilamiento de SOFC después se enfrió a la temperatura operativa (650°C) y se conectó a una carga eléctrica, mientras que se incorporaba aire en el compartimiento catódico. Crofer 22APU was cleaned and coated in suspension with a 7 µm thick cobalt oxide layer (d50 = 0.6 µm), dried and subsequently coated in suspension with a 90 µm thick layer of 90% in LSM weight and 10% by weight cobalt oxide. With the coated cathode-oriented part of a solid oxide fuel cell and incorporated in a SOFC stack the metal part was heated in air flow at 3 ° C per minute at 550 ° C and kept at the temperature for 2 hours to burn residual organic binder before heating the mixture of air flow and nitrogen (1:30 vol: vol) at 3 ° C per minute at 750 ° C, in which it was maintained for 15 hours in order to form the layer of spinel barrier on the metal surface of the cathode compartment. During this last sequence, a current (0.05 A / cm2) was passed through the stack of SOFCs from the anodic to the cathode terminals. The SOFC stack was then cooled to the operating temperature (650 ° C) and connected to an electric charge, while air was incorporated into the cathodic compartment.
Ejemplo de referencia 5 Reference Example 5
Se limpió y revistió en suspensión Sandviken OYC44 con una capa de 10 µm de espesor de óxido de cobalto (d50 = 2,51 µm), se secó y posteriormente se revistió en suspensión con una capa de 30 µm de espesor de 85% en peso LSM y 15% en peso de óxido de cobalto. Con la parte revestida orientada al cátodo de una célula de combustible de óxido sólido e incorporada en un apilamiento de SOFC, la parte metálica se calentó en flujo de aire a 3°C por minuto a 550°C y se mantuvo a la temperatura durante 2 horas para quemar aglutinante orgánico residual antes de calentar en las mismas condiciones a 1050°C, en la que se mantuvo durante 2,5 horas a fin de formar la capa de barrera de espinela en la superficie metálica del compartimiento catódico. El apilamiento de SOFC después se enfrió a la temperatura operativa (850°C) y se conectó a una carga eléctrica. Sandviken OYC44 was cleaned and coated in a 10 µm thick layer of cobalt oxide (d50 = 2.51 µm), dried and subsequently coated in suspension with a 30 µm thick layer of 85% by weight LSM and 15% by weight cobalt oxide. With the coated cathode-oriented part of a solid oxide fuel cell and incorporated into a stack of SOFCs, the metal part was heated in air flow at 3 ° C per minute at 550 ° C and kept at the temperature for 2 hours to burn residual organic binder before heating under the same conditions at 1050 ° C, in which it was maintained for 2.5 hours in order to form the spinel barrier layer on the metal surface of the cathodic compartment. The SOFC stack was then cooled to the operating temperature (850 ° C) and connected to an electric charge.
Ejemplo de referencia 6 Reference Example 6
Una parte metálica (ZMG232) se limpió y se revistió en suspensión con una capa de 10 µm de espesor de óxido de cobalto y óxido de manganeso (4:1 mol/mol), se secó y posteriormente se revistió en suspensión con una capa de 25 µm de espesor de 55% en peso LSC 25% en peso LSC’ y 20% en peso SC. Con la parte revestida orientada al cátodo de una célula de combustible de óxido sólido e incorporada en el apilamiento de SOFC, la parte metálica se calentó en flujo de aire a 3°C por minuto a 550°C y se mantuvo a la temperatura durante 2 horas para quemar aglutinante orgánico residual antes de calentar en una mezcla de flujo de aire y nitrógeno (1:100 vol:vol) a velocidad similar a 850°C, en la que se mantuvo durante 5 horas a fin de formar la capa de barrera de espinela en la superficie metálica del compartimiento catódico. Durante esta última secuencia se pasó una corriente alterna (1 kHz, 0,05 A/cm2) a través del apilamiento de SOFC entre los polos del ánodo al cátodo. El apilamiento de SOFC después se enfrió a la temperatura operativa (750°C) y se conectó a una carga eléctrica. A metal part (ZMG232) was cleaned and coated in suspension with a 10 µm thick layer of cobalt oxide and manganese oxide (4: 1 mol / mol), dried and subsequently coated in suspension with a layer of 25 µm thickness of 55% by weight LSC 25% by weight LSC 'and 20% by weight SC. With the coated cathode-oriented part of a solid oxide fuel cell and incorporated into the SOFC stack, the metal part was heated in air flow at 3 ° C per minute at 550 ° C and kept at the temperature for 2 hours to burn residual organic binder before heating in a mixture of air flow and nitrogen (1: 100 vol: vol) at a rate similar to 850 ° C, in which it was maintained for 5 hours in order to form the barrier layer of spinel on the metal surface of the cathode compartment. During this last sequence an alternating current (1 kHz, 0.05 A / cm2) was passed through the stacking of SOFCs between the anode poles to the cathode. The SOFC stack was then cooled to the operating temperature (750 ° C) and connected to an electric charge.
Ejemplo de referencia 7 Reference Example 7
Se limpió Crofer 22APU y se revistió en suspensión con una capa de 5 µm de espesor de óxido de cobalto (d50 = 0,6 µm), se secó y posteriormente se revistió en suspensión con una capa de 25 µm de espesor de 75% en peso de LSM, 10% en peso de óxido de bario, 10% en peso de carbonato de calcio y 5% en peso de óxido de magnesio. Con la parte revestida orientada al cátodo de una célula de combustible de óxido sólido e incorporada en un apilamiento de SOFC, la parte metálica se calentó en flujo de aire (5,4 ml/min/cm2 área de superficie) a 3°C por minuto a 550°C y se mantuvo a la temperatura durante 2 horas para quemar aglutinante orgánico residual antes de calentar en condiciones similares a 900°C, en la que se mantuvo durante 3,5 horas a fin de formar la capa de barrera de espinela en la superficie metálica del compartimiento catódico. El apilamiento de SOFC después se enfrió a la temperatura operativa (750°C) y se conectó a una carga eléctrica. Crofer 22APU was cleaned and coated in suspension with a 5 µm thick layer of cobalt oxide (d50 = 0.6 µm), dried and subsequently coated in suspension with a 25 µm thick layer of 75% in LSM weight, 10% by weight of barium oxide, 10% by weight of calcium carbonate and 5% by weight of magnesium oxide. With the coated cathode-oriented part of a solid oxide fuel cell and incorporated into a stack of SOFCs, the metal part was heated in air flow (5.4 ml / min / cm2 surface area) at 3 ° C by minute at 550 ° C and kept at the temperature for 2 hours to burn residual organic binder before heating under conditions similar to 900 ° C, in which it was maintained for 3.5 hours in order to form the spinel barrier layer on the metal surface of the cathode compartment. The SOFC stack was then cooled to the operating temperature (750 ° C) and connected to an electric charge.
Se limpió y revistió en suspensión Sandvik 1C44Mo20 con una capa de 10 µm de espesor de óxido de cobalto y óxido de cobre (2:1 peso/peso), se secó y posteriormente se revistió en suspensión con una capa de 35 µm de espesor de 90% en peso de LSM y 10% en peso de óxido de cobalto. Con la parte revestida orientada al cátodo de una célula de combustible de óxido sólido e incorporada en un apilamiento de SOFC la parte metálica se calentó en flujo de aire a 3°C por minuto a 550°C y se mantuvo a la temperatura durante 2 horas para quemar cualquier aglutinante orgánico residual antes de calentar en flujo de aire a 3°C por minuto a 950°C, en la que se mantuvo durante 4,5 horas a fin de formar la capa de barrera de espinela en la superficie metálica del compartimiento catódico. El apilamiento de SOFC después se enfrió a la temperatura operativa (750°C) y se conectó a una carga eléctrica, mientras que se incorporaba aire en el compartimiento catódico. Sandvik 1C44Mo20 was cleaned and coated in a 10 µm thick layer of cobalt oxide and copper oxide (2: 1 weight / weight), dried and subsequently coated in suspension with a 35 µm thick layer of 90% by weight of LSM and 10% by weight of cobalt oxide. With the coated cathode-oriented part of a solid oxide fuel cell and incorporated in a SOFC stack the metal part was heated in air flow at 3 ° C per minute at 550 ° C and kept at the temperature for 2 hours to burn any residual organic binder before heating in airflow at 3 ° C per minute to 950 ° C, where it was maintained for 4.5 hours in order to form the spinel barrier layer on the metal surface of the compartment cathodic The SOFC stack was then cooled to the operating temperature (750 ° C) and connected to an electric charge, while air was incorporated into the cathode compartment.
Ejemplo de referencia 9 Reference Example 9
Se limpió y revistió en suspensión ZMG232 con una capa de 10 µm de espesor de óxido de cobre, óxido de manganeso y LSM (16:4:1 mol/mol), se secó y posteriormente se revistió en suspensión con una capa de 25 µm de espesor de óxido de cobre, óxido de manganeso y LSM (4:1:8 mol/mol). Con la parte revestida orientada al cátodo de una célula de combustible de óxido sólido e incorporada en un apilamiento de SOFC, la parte metálica se calentó en flujo de aire a 3°C por minuto a 550°C y se mantuvo a la temperatura durante 2 horas para quemar cualquier aglutinante orgánico residual antes de calentar en una mezcla de flujo de aire y nitrógeno (1:9 vol:vol) at 5°C por minuto a 950°C, en la que se mantuvo durante 4 horas a fin de formar la capa de barrera de espinela en la superficie metálica del compartimiento catódico. El apilamiento de SOFC después se enfrió a la temperatura operativa (850°C) y se conectó a una carga eléctrica. ZMG232 was cleaned and coated in a 10 µm thick layer of copper oxide, manganese oxide and LSM (16: 4: 1 mol / mol), dried and subsequently coated in suspension with a 25 µm layer thick copper oxide, manganese oxide and LSM (4: 1: 8 mol / mol). With the coated cathode-oriented part of a solid oxide fuel cell and incorporated into a stack of SOFCs, the metal part was heated in air flow at 3 ° C per minute at 550 ° C and kept at the temperature for 2 hours to burn any residual organic binder before heating in a mixture of air flow and nitrogen (1: 9 vol: vol) at 5 ° C per minute at 950 ° C, in which it was kept for 4 hours in order to form the spinel barrier layer on the metal surface of the cathode compartment. The SOFC stack was then cooled to the operating temperature (850 ° C) and connected to an electric charge.
Ejemplo 10 Example 10
Se limpió Crofer 22APU y se revistió en suspensión con una capa de óxido de cobalto de 7 µm de espesor (d50 = 2,5 µm), se secó y posteriormente se revistió en suspensión con una capa mixta de 20 µm de espesor de LSM y LSC Crofer 22APU was cleaned and coated in suspension with a 7 µm thick cobalt oxide layer (d50 = 2.5 µm), dried and subsequently coated in suspension with a mixed 20 µm thick layer of LSM and LSC
(1:1 p:p). Después de secar, se aplicó una tercera capa de 25 µm de espesor de LNF por colado de la suspensión y el componente revestido se seco adicionalmente. Con la parte revestida orientada al cátodo de una célula de combustible de óxido sólido (SOFC) e incorporada en un apilamiento de SOFC, la parte metálica se calentó en flujo de aire (5,4 ml/min/cm2 área de superficie) a 3°C por minuto a 550°C y se mantuvo a la temperatura durante 2 horas para quemar cualquier aglutinante orgánico residual antes de calentar en las mismas condiciones a 950°C, en la que se mantuvo durante 3 horas a fin de formar la capa de barrera de espinela en la superficie metálica del compartimiento catódico. El apilamiento de SOFC después se enfrió a la temperatura operativa (750°C) y se conectó a una carga eléctrica, en la que se evaluó la tasa de degradación a una carga de corriente de 0,25 A/cm2 de área de la célula. (1: 1 p: p). After drying, a third 25 µm thick layer of LNF was applied by casting the suspension and the coated component was further dried. With the coated cathode-oriented part of a solid oxide fuel cell (SOFC) and incorporated into a stack of SOFC, the metal part was heated in air flow (5.4 ml / min / cm2 surface area) to 3 ° C per minute at 550 ° C and kept at the temperature for 2 hours to burn any residual organic binder before heating under the same conditions at 950 ° C, where it was maintained for 3 hours in order to form the layer of spinel barrier on the metal surface of the cathode compartment. The SOFC stack was then cooled to the operating temperature (750 ° C) and connected to an electric charge, in which the degradation rate at a current charge of 0.25 A / cm2 of cell area was evaluated .
Claims (10)
- --
- proporcionar una interconexión de metal en la que la interconexión es una capa de acero inoxidable ferrítica y comprende una aleación de FeG-Mx, en la que Mx se selecciona del grupo que consiste en Ni, Ti, Ce, Mu, Mo, W, Co, La, Y, Al, No o sus mezclas, con una concentración de Mu de 0,25 a 0,55% en peso de la aleación; provide a metal interconnection in which the interconnection is a ferritic stainless steel layer and comprises an FeG-Mx alloy, in which Mx is selected from the group consisting of Ni, Ti, Ce, Mu, Mo, W, Co , La, Y, Al, No or mixtures thereof, with a concentration of Mu of 0.25 to 0.55% by weight of the alloy;
- --
- aplicar una primera capa de óxido metálico en dicha interconexión metálica, en la que dicha primera capa de óxido metálico consiste en óxido de cobalto, applying a first layer of metallic oxide in said metallic interconnection, wherein said first layer of metallic oxide consists of cobalt oxide,
- --
- aplicar una segunda capa de óxido metálico en la parte superior de dicha primera capa de óxido metálico, en la que la segunda capa de óxido metálico comprende una mezcla de un óxido metálico que tiene al menos dos cationes metálicos diferentes y óxido de metal de transición; applying a second metal oxide layer on top of said first metal oxide layer, wherein the second metal oxide layer comprises a mixture of a metal oxide having at least two different metal cations and transition metal oxide;
- - -
- aplicar una tercera capa de óxido metálico en la parte superior de dicha segunda capa de óxido metálico; applying a third layer of metal oxide on top of said second layer of metal oxide;
- --
- formar una célula de óxido sólido que comprende dicha interconexión metálica que tiene dichas capas de óxido metálico sobre ella; y forming a solid oxide cell comprising said metal interconnection having said layers of metal oxide on it; Y
- --
- hacer reaccionar el óxido metálico de dicha primera capa de óxido metálico con el metal de dicha interconexión metálica durante la SOC-inicialización de la célula. reacting the metal oxide of said first metal oxide layer with the metal of said metal interconnection during the SOC-initialization of the cell.
- 2.2.
- El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la etapa de inicialización se lleva a cabo a una temperatura elevada de al menos preferentemente entre 700°C y 1100°C. The method of claim 1, wherein the initialization step is carried out at an elevated temperature of at least preferably between 700 ° C and 1100 ° C.
- 3.3.
- El procedimiento de la reivindicación 1 o 2, en el que el producto de reacción de la reacción entre el óxido metálico de dicha primera capa de óxido metálico y el metal de dicha interconexión metálica tiene una estructura de espinela. The method of claim 1 or 2, wherein the reaction product of the reaction between the metal oxide of said first metal oxide layer and the metal of said metal interconnection has a spinel structure.
- 4.Four.
- El procedimiento de la reivindicación 1, en el que en dicha segunda capa de óxido metálico dicho óxido metálico que tiene al menos dos cationes metálicos diferentes tiene una estructura de perovskita y se selecciona del grupo que consiste en manganita de lantano dopada, cobaltita de lantano dopada, ferrita de lantano dopada, y sus mezclas. The method of claim 1, wherein in said second metal oxide layer said metal oxide having at least two different metal cations has a perovskite structure and is selected from the group consisting of doped lanthanum manganite, doped lanthanum cobaltite , doped lanthanum ferrite, and mixtures thereof.
- 5.5.
- El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en el que el espesor de dicha primera capa de óxido metálico es de 1 a 20 µm. The process of any one of claims 1 to 4 wherein the thickness of said first metal oxide layer is 1 to 20 µm.
- 6.6.
- El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el espesor de dicha segunda capa de óxido metálico es de 10 a 30 µm. The process of any one of claims 1 to 5, wherein the thickness of said second metal oxide layer is 10 to 30 µm.
- 7.7.
- El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el óxido metálico para dicha tercera capa se selecciona del grupo que consiste en niquelato de lantano dopado, óxido de níquel, manganita de lantano, cobaltita de lantano dopada, ferrita de lantano dopada, cerio dopado, y sus mezclas. The method of any one of claims 1 to 6, wherein the metal oxide for said third layer is selected from the group consisting of doped lanthanum nickel, nickel oxide, lanthanum manganite, doped lanthanum cobaltite, doped lanthanum ferrite , doped cerium, and mixtures thereof.
- 8.8.
- Una estructura de barrera multicapa para células de óxido sólido, que se puede obtener de acuerdo con la reivindicación 1. A multilayer barrier structure for solid oxide cells, which can be obtained according to claim 1.
- 9.9.
- Un apilamiento de células de óxido sólido que comprende una capa de contacto anódica y estructura de soporte, una capa anódica, una capa electrolítica, una capa catódica, una capa de contacto catódica, una interconexión metálica, y la estructura de barrera multicapa de la reivindicación 8. A stack of solid oxide cells comprising an anodic contact layer and support structure, an anodic layer, an electrolytic layer, a cathodic layer, a cathodic contact layer, a metallic interconnection, and the multilayer barrier structure of the claim 8.
- 10.10.
- Uso de la estructura de barrera multicapa de la reivindicación 8 como una estructura de capa de barrera en células de combustible de óxido sólido o células electrolíticas de óxido sólido. Use of the multilayer barrier structure of claim 8 as a barrier layer structure in solid oxide fuel cells or solid oxide electrolytic cells.
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